高性能非制冷红外焦平面探测器研制
非制冷红外探测器研究进展(特邀)
第50卷第1期 V〇1.50 No.l红外与激光工程Infrared and Laser Engineering2021年1月Jan. 2021非制冷红外探测器研究进展（特邀）余黎静^3,唐利斌杨文运2,郝群”(1.北京理工大学光电学院信息光子技术工信部重点实验室，北京10008卜，2.昆明物理研究所，云南昆明650223;3.云南省先进光电材料与器件重点实验室，云南昆明650223)摘要：非制冷红外探测器由于无需制冷装置，能够工作在室温状态下，具有成本低、体积小、功耗低 等特点，在红外领域得到了广泛的应用。
在军事应用方面，非制冷型探测器的应用逐渐进入了之前制 冷型探测器的应用范围，大量应用在一些低成本的武器系统，甚至在一些应用领域取代了原来的非制 冷型探测器。
在民用领域方面，更表现出了其价格和使用方便的优势，在民用车载夜视、安防监控等应 用领域引起了广泛的兴趣和关注。
文中介绍了 Bolometer、热释电、热电堆等几种典型非制冷红外探测 器的工作原理，列举了目前已实现商业化应用的主要产品在国内外的情况，着重介绍了目前应用最广 泛的Bolometer器件主流产品的像元间距、阵列规格、性能及其封装发展的情况。
除了已实现商业化 应用的Bolometer、热释电、SO I二极管等探测器等产品，还详细介绍了一些非制冷探测新技术或新型 器件：比如超表面在增强某些波段吸收方面的应用，新材料的Bolometer探测器、双材料新型非制冷器 件、石墨烯、量子点、纳米线等光电探测技术的研究进展。
最后文章还对今后非制冷红外探测器的发展 趋势作了预测。
关键词：非制冷；红外探测器；热释电；Bolometer;封装中图分类号：TN215 文献标志码：A D O I：10.3788/IRLA20211013Research progress of uncooled infrared detectors(Invited)Yu Lijing1'2'3,Tang Libin1'2'3*,Yang Wenyun2,Hao Qun1*(1. The Laboratory of Photonics Information Technology, Ministry of Industry and Information Technology,School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China;3. Yunnan Key Laboratory of Advanced Photoelectric Materials & Devices, Kunming 650223, China)Abstract:Uncooled infrared detectors are widely used in the infrared field due to their low cost,small size,and low power consumption because they do not need the cooling device and can work at room temperature.In military application field,the uncooled detector has gradually entered the application domain of previous refrigerated detector,and has been widely used in some low-cost weapon systems,even replaced the original uncooled detectors in some application fields.In the civil field,it has shown its advantages in price and ease of use,and has aroused widespread interest and attention in civil in-vehicle night vision,security monitoring and other application field.The working theory of several typical uncooled infrared detectors such as Bolometer, pyroelectric,thermopile,etc.were introduced,and the status of the main products that have been commercialized at home and abroad was enumerated,the development of pixel pitch,array specifications,performance and收稿日期:2020-1卜24;修订日期:2020-12-08基金项目:国家重点研发计划（2019YFB2203404);云南省创新团队（2018HC020)packaging of mainstream bolometer devices was focused,which were currently the most widely used.In addition to the bolometer,pyroelectric,SOI diode and other products that had been commercialized,some new uncooled detection technologies or new detectors were introduced in detail:such as the application of metasurfaces in enhancing absorption in certain wavebands,the research progress of new materials bolometer,new bi-material uncooled devices,graphene,quantum dots,nanowires and other photoelectric detection technologies.Finally,the future development trend of u ncooled infrared detectors were predicted in the end of t he review. Key words:uncooled;infrared detector;pyroelectric;bolometer;package〇引言在红外系统中，红外探测器作为探测、识别目标 的关键，其主要作用是将人射的红外信号转化为可以 检测的电信号后进行输出。
非制冷微悬臂梁式红外焦平面探测器读出电路设计
引言
非制 冷 红 外焦 平 面探 测 器 在 室温 下 工作 ， 有 具 低成 本 、 功耗 、 型 化 和 高可 靠 性 等 优 点 ， 低 小 被广 泛 应用 于军事 和 民用领 域 ¨ ． 是 传 统 的基 于氧 化 但 钒 、 晶硅 等材料 的 电阻 型 非制 冷 红 外 探 测器 由 于 非 响应 速度慢 、 电阻温 度 系 数 低 、 敏 度低 、 灵 噪声 等 效
ｔａ ７ ａ ｄｔｅｅ ｕｖ ｌ ｔ ｏｓ ｃ ａｇ Ｎ Ｃ）ｉ ｂ ｌ ５ ｅ ｈ ｎ９ ％ ｎ ｑ ｉａ ｎ ｎ ｉ ｈ ｒｅ（ Ｅ ｈ ｅ ｅ ｓ ｅ ｗ １０ ． ｏ
Ｋ ｙｗ ｒ ｓ ｕ ｃｏｅ ；ｉ ｒｒ ｃｌ ｌ ｅａ ａ（Ｒ Ｐ ； ｉｒ ａｔｅｅ ； ｅｄ ｕ ｉ ｅｒｔｄｃ ｃ ｉ Ｒ Ｉ ｅ ｏｄ ： ｎ ｏｌｄ ｎ ａｅ ｆ ａ ｐａ ｒ ｙ Ｉ Ｆ Ａ） ｍ ｃｏ ｎｉｖｒ ｒａｏｔｎ ｇａ ｉ ｕｔ ＯＣ） ｆ ｄｏ ｎ ｒ ｃ ｌ ｔ ｅ ｒ （
ห้องสมุดไป่ตู้非 制 冷 微 悬 臂 梁 式 红 外 焦 平 面 探 测 器 读 出 电路 设 计
曹君敏， 陈中建 ， 鲁文高， 张雅聪， 雷 科， 赵宝瑛
（ 京 大 学 微 电子 学 系 ， 电 子器 件 与 电 路 教 育 部 重 点 实 验 室 ， 京 北 微 北 １０ ７ ） ０ ８ １
温 差 Ｎ Ｔ （ ｉ Ｅ ｕｖ ｌｎ Ｔ ｍｐ ｒｔｒ Ｄ ｆ ｒ Ｅ Ｄ Ｎｏｓ ｅ ｑ ｉａｅ ｔ ｅ ｅａｕｅ ｉ ｅ－ ｆ
潜在 可达 １ Ｋ， 制 冷 型 探 测 器 的性 能 接 近 ， 且 ｍ 与 并
ＵＮＣｏｏ ＬＥＤ ＮＦＲＡＲＥＤ Ｉ ＦｏＣＡＬ ＰＬＡＮＥ ＡＲＲＡＹＳ ＢＡＳ ＥＤ ｏＮ Ｉ Ｍ ＣＲｏ ＣＡＮＴＩ ＬＥＶＥＲ
非制冷红外焦平面探测器及其典型应用
SWIR
• 可使用常规可见光 镜头，可透过玻璃 成像
• 可探测1.06μm及 1.55μm激光
• 可复现可见光图像 细节Fra bibliotekMWIR
• 在高温、潮湿的海 洋大气条件下，中 波红外的传输优于 长波红外
• 如舰船发动机等高 温目标中波红外特 征明显
• 中波制冷红外的技 术成熟度
LWIR
• 长波红外在地面大 气环境的传输最好
11
红外成像技术—发展史
1800年， 赫胥尔发现了红外线 （水银温度计）
光机扫描、红外 摄像管技术
1800 1901年，Langley 利用探测到 1/4英里外的一头牛（电阻
1930
式测辐射热计）
1940
光机扫描红外成像技术 非制冷型红外成像技术
1956
AIM-9响尾蛇导弹
民用红外成像有望呈现爆发式增长。
9
红外成像探测器技术
制冷光子型
原理：光子型探测 优势：成像距离远，成像清晰，响应时间快，可高帧频工作（400Hz)； 劣势：系统功耗大，体积大，成本高，运行时间受制冷机寿命限制； 应用：红外雷达，光电吊舱，导引头等远距离观测与跟踪高端军用
• 长波红外与室温目 标的红外辐射光谱 的匹配最好
• 战场环境烟雾环境 适应性好
• 非制冷长波红外成 像成本较低
IRay Confidential
4
红外成像技术优势
隐蔽性好 全天时
被动式目标成像与识别，隐 蔽性好
能真正做到24小时全天时监控， 不受白天黑夜影响
抗电磁干扰
不受电磁影响，能远距离精 确跟踪热目标
准全天候
作用距离远
可穿透烟雾、雾霾、云雾成像， 在恶劣天气条件下的成像效果 几乎不受影响。
国外非制冷红外焦平面阵列探测器进展
Ｄｅ ｅｏ ｍ ｅ ｔｏ ｒ ｉｎ Ｕｎｃ ｏ ｅ ｄ Ｉ Ｄｅｅ ｔ ｒ
Ｌ －ｕｉ Ｗ ＡＮＧ ｎ —ｕ ， ＥＩＹａ ｇ ， Ｒｏ ｇ ｒ ｉ ＣＨＥＮ ａ — ａ Ｍｉｏ ｈ ｉ
Ｉ Ｆ Ａ探测器 等 。 ＲＰ
启动快及稳定性好等优点 ， 满足 了民用红外系统和 部分军事红外系统对长波红外探测器的迫切需要。 事实表明， 采用非制冷 Ｉ ＦＡ探测器的轻型红外热 ＲＰ 像仪系统逐渐增多 ， 中采用 的规格 主要有 １０× 其 ６
１０元 、５ ２ ２６×１８元和 ３０× ４ ２ ２ ２０元 等 。一些 较 大规
辐射 热计 的发展 状 况 ， 时也 介 绍 了 近年 出现 的一 同 些新 型非 制 冷 ＩＦ Ａ 探 测 器 技 术 ， 硅 一绝 缘 体 ＲＰ 如 （Ｏ） Ｓ Ｉ 二极管 非 制 冷 Ｉ ＦＡ 探测 器 、 材料 微 悬 臂 ＲＰ 双 梁非 制 冷 Ｉ Ｆ Ａ探 测 器 、 用 热 光 效 应 的 非 制 冷 ＲＰ 利
（ ｏｔ ｈｎ ｅｅｒｈＩｓｔｔ ｏ ｌ ｔ －ｐｉ ， ｅｉｇ１０ １ ，ｈｎ ） Ｎ ｒ Ｃ ｉ Ｒ ｓａｃ ｔｕｅ ｆ ｅ ｒ ｏｔｓ Ｂ ｒｎ ００ ５ Ｃ ｉａ ｈ ａ ｎ ｉ Ｅ ｃｏ ｃ
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｕｎ ｏ ｌ ｄ ｉ ｆ ｅ ｅｅ ｔｒｉ ｏ ｅ ｔｐ ｆｔ ｅ ｍｏ ｔｆ ｔｅ ｏｖ ｄ ｉ ｒ ｅ ｅ ｅ ｔ ｒ ｎ ａ ｉ ｅ ｍｉ ｔｒ ｎ ｓ ｒ ｃ ： ｃ ｏｅ ｎｒ ｄ ｄ ｔ ｃｏ ｓ ｎ ｅ ｏ ｓ ａ ｖ ｌ ｅ ｎ ａ ｄ ｄ ｔ ｃｏｓ ａ ｄ ｈ ｓ ｗ ｄ ｌ ａ ｙ ａ ｄ ｒ ａ ｙ ｈ ｓ ｆｒ ｉ ｃｖｌａ ｐ ｌ ａｉｎ ．Ｉ ｅ ｐ ｐ ｒ ｔｅ ｓａｅ ｎ ｓｆｃ ｓ ｄ ｏ ｅ ｓａｅ ｏ ｒ ａ ｄ ｔ ｎ ｆｓ ｖ ｒｌｆｒ ｉｎ ｒｐ ｅ ｅ ｔ－ ｉｉ ｎ ａ ｐ ｉ ｔ ｓ ｎ ｔ ａ ｅ ， ｔｔ ｍｅ ｔ ｏ ｕ ｅ ｎ ｔ ｔｔ ｆ ｔ ｎ ｅ ｄ ｏ ｅ ｅ ａ ｅｇ ｅ ｒｓ ｎ ａ ｉ ｃ ｏ ｈ ｈ ｉ ｈ ａ ｒ ｏ ｔ ｅ ｕ ｃ ｏｅ ｎ ｒｒ ｄ ｄ ｔｃｏ ｅ ｅｏ ｍｅ ｔ ｉ ｎ ｏ ｌｄ ｉ ａ ｅ ｅｅ ｔｒ ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ． ｖ ｆ ｓ
非制冷式红外探测器原理研究
非制冷式红外探测器原理研究摘要：随着信息技术的发展，红外探测技术已经被广泛应用于军事、民用、科研等众多领域。
其中，非制冷红外焦平面探测器具有无需制冷、成本低、功耗小、重量轻、小型化、使用灵活方便等特点，是当前非制冷红外探测技术研究和应用的热点和重点。
自然界所有温度在绝对零度（-273℃）以上的物体都会发出红外辐射，红外图像传感器则将探测到的红外辐射转变为人眼可见的图像信息。
红外成像技术涵盖了红外光学、材料科学、电子学、机械工程技术、集成电路技术、图像处理算法等诸多技术，红外成像装置的核心为红外焦平面探测器。
非制冷红外焦平面探测器的工作原理是利用红外辐射的热效应，由红外吸收材料将红外辐射能转换成热能，引起敏感元件温度上升。
敏感元件的某个物理参数随之发生变化，再通过所设计的某种转换机制转换为电信号或可见光信号，以实现对物体的探测。
非制冷红外焦平面探测器分为五大类：热释电型、热电堆型、二极管型、热敏电阻型热电容型。
本文对前四种红外探测器的工作原理进行了详细阐述，并且对每种红外焦平面探测器的关键技术例如读出电路IC技术进行了详细探究，总结了不同类型探测器的优缺点。
关键词：红外探测技术；非制冷红外焦平面探测器；读出电路；敏感元件第一章绪论1.1研究背景及课题意义随着科学技术的飞速发展以及信息社会的到来，各行各业甚至人类日常生活对信息的获取需求与日俱增。
与制冷红外成像系统相比，非制冷红外成像系统可在室温工作，省掉了昂贵且笨重的制冷设备，从而大大减小了系统的体积、成本和功耗；此外还可提供更宽的地频谱响应和更长的工作时间。
国外机构已经为军事用户提供了大量成本低、可靠性更高的高灵敏非制冷红外成像仪。
同众多高新技术一样，红外技术也是由于军事的强烈需求牵引而得以迅速发展的。
红外成像系统可装备各类战术和战略武器，常用于红外预警、侦查、跟踪、导航、夜视、大地测绘和精确制导，是电子战、信息战中获取信息的主要技术之一。
与其他探测方式不同的是，红外探测属于被动探测系统，探测系统并不主动向目标发射探测信号，相反只是通过接受目标红外辐射来完成识别任务。
非制冷红外焦平面热成像系统硬件电路设计与实现
3、系统集成：非制冷红外焦平面热成像系统的各个组件需要高度集成以保 证系统的性能和稳定性。这需要采用先进的微电子制造技术和先进的封装技术来 实现。同时，需要开发高效的接口协议来实现组件之间的数据传输和控制。
4、能耗与散热：在非制冷红外焦平面热成像系统的设计和实现过程中，需 要考虑能耗和散热问题。高能耗可能会导致系统过热，影响性能和稳定性；而散 热不良可能会导致系统温度过高，引发故障。为了解决这些问题，可以采用低功 耗的组件和设计来降低能耗；同时，需要采用有效的散热设计和布局来确保系统 在正常工作温度范围内运行。
3、算法：为了提高非制冷红外热成像技术的图像质量和稳定性，需要采用 先进的信号处理和图像处理算法，如自适应阈值设定、中值滤波、多尺度变换等。
应用场景展望
随着技术的不断发展，非制冷红外热成像技术的应用领域也将越来越广泛。 以下是几个潜在的应用领域：
1、智能家居：非制冷红外热成像技术可用于智能家居中的安全监控、人体 检测、温度控制等领域，提高居住的舒适度和安全性。
引言
非制冷红外热成像技术是一种利用红外传感器捕捉热辐射并转换为可见图像 的技术。自20世纪初以来，随着科技的不断进步，非制冷红外热成像技术已经成 为军事、安全、医疗、科研等领域的重要工具。本次演示将详细介绍非制冷红外 热成像技术的发展历程、现状分析、关键技术探究及其应用场景展望。
发展历程
自20世纪50年代起，非制冷红外热成像技术开始进入实用阶段。早期的非制 冷红外热成像系统采用多元线阵列传感器，但由于其制造成本高、噪声大、灵敏 度低，限制了其应用范围。随着技术的发展，20世纪90年代中期，非制冷红外热 成像技术取得了突破性进展。新一代的传感器采用非晶硅等先进材料，提高了灵 敏度和稳定性，降低了成本，使得非制冷红外热成像技术得以广泛应用。
混成式热释电非制冷红外焦平面探测器研究
第３ ７卷 第 ４期
ＶＯ１ Ｏ． ． Ｎ ４ ３７
红 外 与 激 光 工 程
Ｉ ｆａ ｅ ｎ ｓ ｒ ｇｎ ｅ ｉ ｇ ｎ ｒ ｒｄ ａ ｄＬａ ｅ Ｅｎ ｉ ｅ ｒｎ
２０ ０ ８年 ８月
Ａｕｇ． ０８ ２０
混 成 式 热 释 电 非 制 冷 红 外 焦 平 面 探 测 器 研 究
Ｉ ， 阵 规 模 为 ３ ０ ２ ０元 的 非 制 冷 红 外 焦 平 面探 测 器 。 通 过 自主 设 计 ， 发 的 非 制 冷 焦 平 面 测 试 平 ， 列 ｚ ｍ ２ｘ ４ 研
台 ， 到 了此 器 件 的 基 本 性 能 参 数 平 均 电压 响 应 率 １１ ｌ ／ ， 均 探 测 率 ５ ｘ ０ ｃ ・ ・ ～ 并 实 得 ．ｘ ０ Ｖ Ｗ 平 ． １ ｍ Ｈｚ Ｗ ， ６
ｖ ｌ ｇ ｅ ｐ ｎ ｉ ｉ ｆ ｔ ｅ ＵＦ ｏ ｔ ｅ ｒ ｓ ｏ ｓｖｔ ｏ ｈ ＰＡ ｓ ． ０ ａ ｙ ｉ １ １ ｘｌ Ｖ ／ ．ａ ｄ ｔ ｅ ｍ ｅ ｎ ｄ ｔ ｃｉ ｉ ｓ ５． Ｗ ｎ ｈ ａ ｅｅ ｔｖ ｔ ｉ ６ｘ１ ｃ ・ ・ ～．Ａ ｎ ｙ ０ ｍ Ｈｚ Ｗ ｉ ｆａ ｅ ｔ ｅ ａ ｉ ａ ｅ ｎ ｒ ｄ ｈ ｒ ｌ ｍ ｇ ｗａ ｏ ｔ ｎ ｄ ｂ ｔ ＵＦＰ ． Ｃｏ ｂ ｎ ｄ ｒ ｍ ｓ ｂ ｍ ｅ ｙ ｈｅ Ａ ｍ ｉ ｅ ｗｉｈ ｐ ａ ｔ ｅ ｈ ｋ ｙ ｅ ｈ ｏ ｏ ｉｓ ｏ ｈ ｔ ｒ ｃｉ ｔｅ ｅ ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｅ ｆ ｒ ｔ ｅ ｃ ｈ ｂ ｄ ｐ ｒ ｅｅ ｔ ｃ ＵＦ ｙ ｒ ｙ ｏ ｌｃｒ ｉ ｉ ＰＡ ｗ ｅｅ ｉ ｔｏ ｕ ｅ ａ ｄ ｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｓ ｓｅ ａｉａ ｌ ｒ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｎ ｉｃ ｓ ｅ ｙ ｔｍ ｔｃ ｌ ｙ， ｉ ｃｕ ｉ ｇ ｔ ｅ ｐ ｅ ａ ａｉ ｎ ｌｄｎ ｈ ｒｐ ｔ ｒ ｏｎ ｔｃ ｎ ｌ ｇ ｏ ｈｇｈ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｆｒｏ ｌｃｒｃ ｃ ｒ ｍ ｉ ， ｔ ｅ ｔｃ ｏ ｏ ｙ ｏ ｄ ｃ ｅ ｓｎｇ ｈ ｔ ｉｋ ｅ ｓ ｆ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｆ ｉ ｐ ｒｏ ｍ ｎ ｅ ｅ ｒ ｅ ｅ ｔ ｅ ａ ｃ ｈ ｅ ｈｎ ｌ ｇ ｆ ｒ ｅ ｒ ａ ｉ ｔ ｅ ｈ ｃ ｎ ｓ ｏ ｉ ｆｒｏ ｌｃｒｃ ｃ ｒ ｍ ｃ ｌｍ ｅ ｔｒ ｔｃ ｌｔｏ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ，ｉ ｄ ｕ ｏ ｄ ｒ ｂ ｍ ｐ ｂｏ ｄ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ａ ｄ ｒ ａ ｏ ｔ ｅ ｒ ｅｅ ｔｉ ｅ ａ ｉ ，ｅｅ ｎ ｅｉｕ ａ ｎ ｔ ｃ ｎ ｌ ｇ ｉ ｎ ｉｍ ｓｌｅ ｕ ｎ ｉｇ ｔｃ ｎ ｌｇ ｎ ｅ ｄ ｕ
基于ADN8830的非制冷红外焦平面温度控制电路设计
基于ADN8830的非制冷红外焦平面温度控制电路设计红外技术作为一种发现、探测和识别目标的重要手段在军民两用技术中有着广泛的应用，非制冷红外焦平面阵列技术的发展极大地提高了系统的性能。
非制冷红外热像仪采用的是不需要制冷的热探测器焦平面阵列，利用红外辐射使焦平面上敏感像元的温度改变，从而使电阻随之改变，来探测目标的温度特性。
所以，只有尽可能地保证焦平面阵列中各敏感像元自身基准温度稳定且一致，才能够提高热像仪的探测灵敏度，减小系统后期非均匀性校正的难度，最终从根本上提高热像仪的探测灵敏度，改善热像仪的成像性能。
目前，在实际的非制冷红外焦平面阵列探测器中采用半导体热电制冷器(TEC)来稳定基准温度。
在此着重介绍一种基于ADN8830的高性能TEC温度控制电路及其PID补偿网络的调节方法。
1 温度控制电路设计TEC(Thermo Electric Cooler)是用两种不同半导体材料(P型和N型)组成PN结，当PN结中有直流电通过时，由于两种材料中的电子和空穴在跨越PN结移动过程中的吸热或放热效应(帕尔帖效应)，就会使PN结表现出制冷或制热效果，改变电流方向即可实现TEC的制冷或制热，调节电流大小即可控制制热制冷量输出。
利用TEC稳定目标温度的方法如图1所示。
图1中第一部分是温度传感器。
这个传感器是用来测量安放在TEC端的目标物体的温度。
期望的目标物体温度是用一个设定点电压来表示，与温度传感器产生的代表实际目标物体温度的电压通过高精度运算放大器进行比较，然后产生误差电压。
这个电压通过高增益的放大器放大，同时也对因为目标物体的冷热端引起的相位延迟进行补偿，然后再驱动H桥输出，H桥同时控制TEC电流的方向和大小。
当目标物体的温度低于设定点温度时，H桥朝TEC致热的方向按一定的幅值驱动电流；当目标物体的温度高于设定点温度时，H桥会减少TEC的电流甚至反转TEC的电流方向来降低目标物体温度。
当控制环路达到平衡时，TEC的电流方向和幅值就调整好了，目标物体温度也等于设定的温度。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
盲元数（个）
108
86
65
110
172
坏斑（个）
坏行（条） 坏列（条） 响应率 （mV/K）
F1.0， 40℃/55℃ 各连续采 样100帧
0
0
0
0
0
0 0 14.3
0 0 13.7
0 0 13.7
0 0 15.4
0 0 13.1
用户试用
3、货架产品及订单生产
7 6 5 4 3 2 1 0 39 41 43 45 47 49
MEMS工艺设备及工房照片 MEMS Process Equipment and FAB Photos
640×512（17μm）MEMS照片 SEM picture of 640×512（17μm）pixels
NETD直方图（5pF, 25us） NETD Histogram（5pF, 25us）
3）设计方法： 标准设计流程 规范设计文档
专业化分工
4）640×512（17um）探测器设计 （1）电路架构及原理设计
VSK Rdm Rd
CINT
原则：
`
Veb M1m M1
φrst φcol
`
Vref M2m
op Vfid M2
B
Vref
-OTA Vo_int
+
outbuf
+
Vo
架构及模块简洁 指标分配合理
3、探测器卓越指标
通用性
成品率 批次一致性 周期供货能力 工艺、原材料可控
640×512（17um）探测器
基 本 算 法 的 原 始 图 像
1、工程设计
1）设计原则：
满足基本指标
兼顾拓展指标 考虑卓越指标
2）设计思路： 合理分解总体指标 继承成熟技术（设计、工艺） 主流创新，适度采用
1、探测器基本指标
基本参数：探测器材料、阵列规模、中心距 光电性能：NETD、响应率、响应时间、盲元率、响 应非均匀性、响应波段、帧频、功耗 产品接口：电学、机械、光学 环境适应性：存储温度、工作温度、振动、冲击 可靠性：存储寿命
2、探测器拓展指标
光电性能：盲元分布、空间噪声、有效动态范围、
输出非线性度、串音 产品接口：标准接口 环境适应性：电磁兼容性、抗静电、抗辐射 可靠性：工作寿命
高性能非制冷红外焦平面探测器研制
一、非制冷红外焦平面性能指标
考核项目 阵列规模 像元中心距 工作波段 噪声等效温差（NETD） @ f/1.0，300K 响应时间 帧频 有效像元率（≤2NETD） 响应非均匀性 恒温方式 封装形式 工作温度 重量 技术指标 640×512 17μm×17μm 8μm～13μm ≤45mK ≤10ms 50/60Hz ≥99% ≤3% 半导体恒温器 金属封装 -40℃～65℃ ≤25g
（3）可测试性设计 目标：问题地准确、参数判断合理、性能不能降低
整个读出电路设计了正常工作模式、电路测试模
式、半成品测试及筛选模式等。 ROIC边缘做有PCM区，可作为MEMS设计、工艺 的验证测试单元。
2、研制及小批量试制
640×512 (17μ m) 非制冷探测器 640×512 (17μ m) Uncooled IRFPA Detector
ROIC设计是艺术和科学的结合！ 艺术家：发散的创新能力 科学家：严谨的态度和方法
简单！简单！！再简单！！！
（3）MEMS结构及工艺设计
原则：工艺窗口要宽、工艺步骤简单
该款17μm像元探测器的MEMS采用传统的单
层结构，具有良好的冲击和振动特性；在工艺上， 优化、平衡各膜系厚度。实现了高响应率以及较低 NETD；产品具有较高的成品率和批次一致性。 MEMS----设计和工艺的联姻！
响应率直方图（5pF, 25us） Responsivity Histogram（5pF, 25us）
热响应时间 Time Response
非制冷型640×512 (17μm) 氧化钒红外探测器参数测试统计表 Parameter Test Table of 640×512 (17μm) Uncooled FPA 指标 NETD（mK） 测试标准 及方法 标准 剔除无效像元后平均NETD 响应率＜＞20%均值；电压超均 值±0.5V；NETD>2倍均值。 中心80*60区域，3个连续无效像 元，0个；其他区域21连续无效 像元1个；≥14且≤20连续无效像 元2个，合格。 ≥25%该行像元为无效像元， 80*60区域外1个无效行，合格。 ≥25%该列像元为无效像元， 80*60区域外1个无效列，合格。 剔除无效像元后平均响应率 145# 43 134# 44 161# 44 163# 41 263# 45
非制冷640×512 (17μ m) 红外探测器生产批的NETD的直方图 NETD Histogram of Production Batch 640 ×512 (17μ m) Uncooled FPA
成品率：MEMS（50%），封装（85%）。 周期供货能力：1000只/月以上。 产品可控：自主设计、加工、测试。
完全拥有自主知识产权！
三、产品研制的思考及建议
1.产品研制全周期管理
加工 设计 市场
定义 生产
测试 产品
定型 试制
2.技术的继承与创新 3.综合指标决定产品性能
4.产品应以用户为中心
展望
FLIR MUON （17μ VOx FPA & WLP+3D封装）
FLIR BOSON （12μ VOx FPA & WLP+ Myriad 2 ）
FLIR Lepton X-lite COC (Camera On Chip)of Senso Optics （17μ VOx FPA & WLP+ASIC） UFPA+ASIC
MEMS 及光学
读出电路
图像处理IC 片上系统IC
φrow
Rsm Rs
冗余度大
工艺适应性强
Vgnd
设计要点： 指标折中 速度、功耗、增益、精度、噪声、面积等
信号流
输入信号到输出信号的通路清晰
（2）电路版图工程设计
着重点：
积分器和buffer
均匀性 成品率
VOx阵列
可靠性 抗干扰
OCC
设计要点： 共心技术 中心/轴对称布局布线，减小线性梯度影响。 匹配 差分对管、叉指结构（电阻、MOS），田格 电容、同型信号线。 寄生效应 寄生电容、电阻的准确评估，尽量降低或有 效利用。 噪声、干扰 隔离、屏蔽、退耦。